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電晶體雷射技術將改寫電子學教科書

上網時間: 2010年05月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電晶體雷射  教科書  電子學 

發明電晶體雷射(transistor-laser,TL)──即一種同時具備光學與電氣輸出的電晶體──的工程師表示,這種元件非常適合半導體轉向整合光學的趨勢;但他們也指出,若是真的開始在電路中採用TL,目前的電子學教科書恐怕都得改寫,因為TL顛覆了該領域存在已久的電荷守恆(conservation of charge)概念,也就是克西荷夫定律(Kirchhoff's Law)。

「就像是電晶體對現今的IC所帶來的影響,我們預期電晶體雷射也將帶來類似的影響力,為光電整合IC以及光學互連開啟新的視野;」與同事Nick Holonyak、博士候選人Han Wui Then一同發明電晶體雷射的美國伊利諾大學教授Milton Feng表示。電晶體雷射雖然已經問世約六年的時間,但其發明人卻是一直到最近才為該技術與傳統電路理論之間的失配(miss-match)問題找到解答。

在喬治˙歐姆(Georg Ohm)定義了電路理論中的第一個定律之後不久,古斯塔夫˙克西荷夫(Gustav Kirchhoff)提出了迄今仍廣為傳授的、被稱為「克西荷夫定律」的電荷守恆原則,即:「在電路的任何一個接面,流入該節點的電流總量會與流出該節點的電流總量相同。」但在電晶體雷射中,有部份電流是要前往製造雷射光束──也就是混合了電荷守恆與能量守恆(energy conservation)。

因此Feng指出:「新的教科書需要把雷射電晶體包含在裡面,“克西荷夫電流定律”應該被重新定義為“克西荷夫電流與能量定律”。」


開發TL的美國伊利諾大學教授Milton Feng與Nick Holonyak

研究人員為其以量子阱為基礎(quantum-well-based)的電晶體雷射製作了等效電路,能用以準確地建立該電晶體雷射基底(也就是雷射發光之處)的充放電機制模型。也因此,現在可以透過電腦模擬的方式來研究TL電路,進行其頻率與時域(time-domain)性能的分析。研究人員並已經在一個用三五族半導體材料所製作的電晶體雷射原型上,驗證了其演算法。

該原型的發光層是以砷化銦鎵(indium gallium arsenide)量子阱、以三明治夾層方式與p型半導體基底組合而成;其發光腔(emitting cavity)為2.2微米(micron)寬、0.85釐米(millimeter)長,發光波長1.0微米,閾值電流40mA,能在3GHz頻率對該雷射進行直接調變。接下來,該研究團隊計劃打造可應用在IC設計的整套電晶體雷射功能區塊。

(參考原文: Transistor-laser breaks Kirchhoff's Law, rewrites textbooks,by R. Colin Johnson)





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